90Sr的加速器质谱测量技术研究

何 明，赵庆章，张文慧，何洪钰，刘建成，胡 畔，武绍勇

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

半衰期为28.8 a的90Sr是铀和钚的主要裂变产物，裂变产额约4%。环境中的90Sr主要来源于反应堆、后处理、核试验等过程。90Sr与134Cs、137Cs、131I等被认为是核废物中对健康影响最重要的核素。此外，90Sr在生物医学领域也有潜在的应用前景[1]。

90Sr的测量方法一般有放射性测量和质谱测量两种方法。放射性测量方法一般是利用液体闪烁探测器对90Sr发射的0.546 MeV的β射线进行测定。然而由于β射线的连续谱使得其很难与其他β衰变核素区分开，因此需利用放化分离方法将90Sr与其他放射性核素进行分离。另一种放射性测量方法是对90Sr的衰变子体90Y进行测量，它的β射线能量为2.28 MeV，有利于提高测量灵敏度，此方法对90Sr的探测限为几个mBq[2-3]，但此方法需放射化学分离两周后，在90Sr和90Y建立放射性长期平衡后才能进行测定。此外，由于90Sr的半衰期为28.8 a，每个样品的测量时间需几小时甚至几天。因此，复杂的放射化学分离和耗时的测量过程是90Sr放射性测量的主要局限。

为提高样品的测量时效，发展了90Sr的质谱测量方法。质谱技术是对90Sr的原子进行直接测量，几分钟可完成1个样品的测定；同时，其他放射性核素不会对90Sr的测量产生干扰(即使在放射性平衡条件下，90Y的原子数也仅为90Sr的0.6%，可忽略90Y的贡献)，简化了样品放射化学分离流程，满足大量样品的快速测定。但质谱测量时分子离子(88SrHH、89YH等)、同量异位素离子(90Zr)以及同位素离子(88Sr)是限制其探测限的关键因素。目前主要采用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)进行90Sr测定[4-6]。虽然ICP-MS发展了在线反应池的方法以降低干扰本底，但ICP-MS对90Sr的探测限约30 mBq。

加速器质谱(AMS)由于离子能量和质量分辨高，可有效排除分子本低和同位素本底，同时也具有同量异位素的鉴别能力，有利于提高90Sr测量灵敏度。国际上一些AMS实验室则相继开展了90Sr的测量方法研究[7-10]，国内目前尚未利用AMS开展90Sr的相关工作。在90Sr的AMS测量中，其同量异位素90Zr是限制测量灵敏度的关键因素，而要实现90Zr和90Zr的鉴别，需提高离子能量以便利用探测器对其进行鉴别。由于90Zr和90Sr原子序数较大，要实现探测器鉴别就需更高的离子能量，即需较高的加速器端电压。筑波大学AMS实验室曾尝试采用端电压为5 MV的串列加速器进行90Sr的测量方法研究，但由于90Sr的能量仅33 MeV，探测器无法有效鉴别90Sr和90Zr，使得90Sr的测量灵敏度90Sr/Sr仅约10-8[10]；美国利弗莫尔AMS实验室则利用端电压为12 MV的串列加速器，90Sr离子能量达107 MeV，在此能量下利用多阳极气体电离室探测器实现了90Sr和90Zr的有效鉴别，从而使得90Sr的测量灵敏度达6×10-13[9]，对应的活度探测限约为3 mBq。因此，利用端电压高的AMS系统是实现90Sr高灵敏测量的关键因素。本文基于中国原子能科学研究院的HI-13大型串列加速器端电压高并结合Q3D磁谱仪动量分辨高的特点开展90Sr的AMS测量方法研究。

1 中国原子能科学研究院加速器质谱系统简介

中国原子能科学研究院的AMS系统如图1所示，主要包括负离子源、注入系统、串列加速器、分析磁铁、开关磁铁和两条AMS测量束线。其中AMS束线1主要包括1个15°的静电分析器和1个多阳极气体电离室；AMS束线2主要包括1台Q3D磁谱仪和1个多阳极气体电离室。根据测量核素选择不同的测量束线，对于90Sr则采用AMS束线2进行测量。

离子源为美国NEC生产的40个靶位的强流铯溅射负离子源(MC-SNICS)，从离子源引出负离子，进入注入系统。注入系统由偏转半径750 mm的90°静电分析器和偏转半径为800 mm、偏转角度为112°的注入磁铁组成，利用注入系统将被测核素送入加速器。加速器为HI-13串列加速器，它是目前国际上为数不多的用于AMS测量的大型串列加速器，运行端电压为12 MV。注入到加速器的负离子经加速器前端加速后进入加速器端部的剥离膜，剥离膜为5 μg/cm2的碳膜，经碳膜剥离后将负离子剥离为多电荷态的正离子，然后经加速器后段进行再加速。加速后的离子利用分析磁铁对离子的磁钢度(2ME)1/2/q(M为离子质量数，E为离子能量，q为离子电荷态)进行选择。分析磁铁的偏转半径为1 270 mm，偏转角度为90°。经开关磁铁选择后将离子送入Q3D磁谱仪。Q3D磁谱仪主要由3个偏转半径均为1 000 mm，偏转角度分别为65°、65°和25°的二极磁铁组成[11-12]，最后经Q3D磁谱仪分析后将离子送入四阳极电离室进行测定。Q3D磁谱仪的特点是其动量分辨高，动量差异1%的离子在Q3D磁谱仪焦平面处分开的距离为113.7 mm。本工作基于Q3D磁谱仪的此特点建立了特色的ΔE-Q3D分析系统，用于90Sr的测量。ΔE-Q3D分析系统由Q3D磁谱仪、Q3D磁谱仪入口处的薄膜和位于Q3D磁谱仪焦平面中心的气体电离室组成。为降低薄膜厚度不均匀造成的能量离散，采用厚度均匀性良好的Si3N4作为吸收膜。位于焦平面中心的探测器采用4个阳极的气体电离室以鉴别同量异位素。综合考虑离子经吸收膜后在焦平面处的束斑大小、同量异位素在焦平面处分开的距离和探测器的探测效率，将探测器的入射窗设定为60 mm×40 mm，入射窗膜采用厚度为4 μm的Mylar膜。

图1 中国原子能科学研究院的HI-13 AMS系统结构示意图Fig.1 Layout of HI-13 AMS system at China Institute of Atomic Energy

2 Sr的负离子引出方法

3 90Sr的AMS系统传输

表束流强度与样品组成的关系Table 1 Relationship of beam current with sample composition

4 ΔE-Q3D的同量异位素排除方法

ΔE-Q3D排除同量异位素的基本原理：当离子穿过一定厚度t薄膜时，其能量损失ΔE∝MZ2t(Z为离子的有效原子序数，M为离子质量数)。同量异位素由于原子序数不同使得它们穿过薄膜时的能量损失不同，从而使得离子穿过薄膜后同量异位素的剩余能量也不同，由此相同电荷态的同量异位素离子动量产生差异，利用Q3D磁谱仪动量分辨能力强的特点，可将同量异位素在Q3D磁谱仪的焦平面处被分离开。

吸收膜厚度对ΔE-Q3D技术的同量异位素分离能力有直接影响。为实现90Zr和90Sr在Q3D焦平面处的有效分离，需同量异位素离子穿过Si3N4后的剩余能量差异(ΔE)大于离子的能量离散(δE)。同量异位素能量差异与吸收膜的厚度呈正比，而能量离散与吸收膜厚度的平方根呈正比，因此，吸收膜越厚，分辨能力(ΔE/δE)越大，同量异位素在Q3D磁谱仪焦平面处分离效果越好。但吸收膜越厚，离子穿过膜后的能量离散和角度歧离均会增加，使其在焦面处束斑面积增大，而探测器入射窗面积有限，从而造成探测器探测效率下降；同时，吸收膜越厚，也会造成能量损失多，从而降低了离子进入探测器时的能量，不利于探测器鉴别。特别对于重核素，吸收膜厚度增大会严重降低探测效率和离子能量。为确定合适的吸收膜厚度，对不同厚度Si3N4的分辨能力进行模拟计算。表2为利用SRIM-2000[15]程序计算得到的105 MeV的90Sr和90Zr穿过不同厚度Si3N4后的分辨能力。结果显示，在Si3N4膜厚度为1 μm时ΔE/δE为1.32，这意味着在此厚度下利用ΔE-Q3D方法可将90Zr和90Sr在Q3D焦平面处进行有效分离，同时离子的剩余能量约为90 MeV且能量离散约为0.6%，利于探测器测量。综合以上因素，选取1 μm的Si3N4作为90Sr测量时的吸收膜厚度。

表2 90Zr和90Sr穿过不同厚度Si3N4膜的分离能力Table 2 Separation power of 90Zr and 90Sr after passing through Si3N4 membrane with different thicknesses

在此条件下利用ΔE-Q3D方法对90Sr和90Zr的分离效果进行实验研究。将能量为105 MeV的90Sr9+(90Zr9+)送入Q3D磁谱仪，经1 μm Si3N4膜后利用Q3D磁谱仪将电荷态为20+的90Zr和90Sr传输到Q3D磁谱仪的焦平面。通过调节Q3D的磁场并利用气体电离室测量90Sr和90Zr的计数率，得到90Sr和90Zr的计数率随Q3D磁场的变化关系，结果如图2所示(其中1 Gs=10-4T)。90Zr的最佳磁感应强度为5 775 kGs，峰的半高宽为36 Gs；90Sr的最佳磁感应强度为5 800 kGs，90Sr的最佳磁感应强度较90Zr的大25 Gs，表明90Sr的剩余能量较90Zr高0.9%，此结果与理论计算的能量相对差异符合。同时图2的结果显示，将Q3D磁场设定到90Sr的最佳磁场后，大部分的90Zr偏离Q3D焦平面中心位置而不能进入探测器。根据探测器入射窗的尺寸和离子束斑的大小，将Q3D磁场设置到90Zr最佳磁场时，可将90Zr的干扰压低6倍，这意味着大部分的90Zr被排除，仅约15%的90Zr会伴随90Sr进入探测器，这为探测器进一步鉴别90Sr和90Zr奠定了良好基础。

图2 90Zr和90Sr计数率与Q3D磁场的关系Fig.2 Relationship of 90Zr and 90Sr count rate with Q3D magnetic field

5 90Sr的探测器鉴别技术

为进一步提高90Sr的测量灵敏度，需利用探测器对90Sr和90Zr进行进一步鉴别。多阳极气体电离室是实现同量异位素鉴别的常用探测器，其基本原理是同量异位素原子序数不同导致在穿过探测器气体介质时的能量损失率不同，从而在探测器不同阳极上沉积的能量也不同，由此通过探测器阳极的能量信号可实现同量异位素鉴别。此外，由于同量异位素离子在穿过探测器入射窗时也会造成离子总能量的差异，因此利用探测器阴极进行离子总能量测定也可用于同量异位素的鉴别[16]。对于90Sr测量鉴别，采用四阳极的气体电离室探测器，即利用4个阳极信号和1个阴极信号进行90Zr和90Sr的鉴别。探测器的入射窗采用厚度4.0 μm的Mylar膜，能量为105.5 MeV的90Sr和90Zr在穿过1 μm的Si3N4膜和4 μm的Mylar膜后，90Zr和90Sr的能量分别为58.75 MeV和60.70 MeV。探测器的工作气体选择异丁烷，工作气压设定2 660 Pa。在此条件下，利用SRIM软件对90Sr和90Zr在探测器中的射程与其能量损失率的关系进行了模拟计算，结果示于图3。图3也给出了探测器各阳极板及阴极板对应离子射程的位置。其中E0为探测器入口处的保护极，用以保持探测器电场均匀。E1、E2、E3、E4分别为4个阳极，Et为阴极。模拟结果表明，不同阳极区域90Sr和90Zr的能量损失率不同，利用4个阳极信号可实现90Sr和90Zr的鉴别，阴极则是对进入探测器的离子总能量进行测定。由此，通过利用4个阳极上的能量损失信号和阴极的总能量信号进行90Sr和90Zr的鉴别。

图3 90Sr和90Zr在异丁烷中的 能量损失率与射程的关系Fig.3 Calculated energy loss rate of 90Sr and 90Zr as functions of ion range for isobutene gas

为检验探测器的同量异位素鉴别能力，利用90Sr的标准样品和空白样品分别进行测定。标准样品采用90Sr/Sr=4.6×10-10的样品。图4a、b、c分别为标准样品测量得到的Et与E2、Et与E3、E1与E2能量双维谱图。3个谱图测量结果均显示，利用探测器能谱可将90Sr和90Zr进行有效区分，即可实现90Sr和90Zr的鉴别。为进一步检验探测器排除同量异位素的能力，利用90Sr空白样品进行了测定。图4d为空白样品测量得到的Et与E2双维谱。结果显示，虽然90Zr能谱区域内有近104个离子，但在90Sr能谱区域基本没有计数，表明探测器对90Zr具有很好的鉴别能力。为进一步排除由于偶然符合和信号涨落等因素产生的本底干扰，提高同量异位素的鉴别能力，采用将探测器的5路能量信号进行开门符合的方法，即5路能量信号均满足90Sr能量区间时才认为是90Sr离子。在此条件下，测量得到气体电离室对90Zr的压低能力为6×103。

6 结果与讨论

图4 样品的双维谱Fig.4 Two-dimensional spectrum for sample

表3 标准样品和空白样品测量结果Table 3 Measurement results of standard sample and blank sample

7 结论

感谢中国辐射防护研究院戴雄新研究员和兰州大学侯小琳教授提供的90Sr标准样品。